郭建豪，劉鑫屏

(華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

目前火力發(fā)電依然在電力生產(chǎn)中占比最大，但其建設(shè)已逐步從信息化、自動化向智能化轉(zhuǎn)變，智慧電廠已成為新的發(fā)展方向。而傳統(tǒng)電廠中存在需要不斷改進(jìn)的地方，例如燃煤管理，僅作為燃煤輸送系統(tǒng)來使用，但適當(dāng)?shù)呐涿簱綗欣谔岣邫C組經(jīng)濟性，以及燃料靈活性[1]。此外，針對電站燃煤鍋爐煙氣成分包括O2、CO2和SO2等的有效監(jiān)測有利于實現(xiàn)爐內(nèi)燃燒狀態(tài)監(jiān)測以及燃燒優(yōu)化控制，同樣能夠為解決排煙污染問題及低碳排放提供依據(jù)。

近年來為了降低燃料成本，國內(nèi)對合理配煤摻燒進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]在分析鍋爐設(shè)計煤種與混煤之間的煤質(zhì)偏差的基礎(chǔ)上，建立了以配煤煤質(zhì)偏差為目標(biāo)的優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[3]在保證660MW燃煤發(fā)電機組的安全運行以及環(huán)保排放的原則上，設(shè)計出適合該機組的配煤摻燒方案。而對于煙氣成分的檢測，文獻(xiàn)[4]為了克服傳統(tǒng)煙氣分析儀中電化學(xué)傳感器壽命短及測量精度低的缺點，研制了一種基于光譜分析的便攜式煙氣分析儀；在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[5]設(shè)計一種光譜儀波長快速在線校準(zhǔn)方法，可極大地提高煙氣分析儀的穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確度；文獻(xiàn)[6] 基于傅里葉紅外(FTIR)光譜分析技術(shù)，研制了一種耐高溫的便攜式紅外氣體分析儀；文獻(xiàn)[7]為了評估某熱電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，分析了該系統(tǒng)中影響煙氣污染物測量不確定度分量因素。此外，鑒于燃煤各收到基元素和排煙成分之間的關(guān)系，文獻(xiàn)[8]是在計算鍋爐效率模型的基礎(chǔ)上，找到了兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，從而建立了基于煙氣成分檢測的鍋爐煤質(zhì)軟測量模型；在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]通過分析燃煤燃燒的能量守恒原理以及燃燒化學(xué)機理，得到煤質(zhì)特性元素與最終燃燒后煙氣成分之間的相關(guān)性，建立了電站鍋爐入爐煤質(zhì)在線監(jiān)測模型。

綜上所述，本文在保證鍋爐安全運行的同時，以滿足不同負(fù)荷需求以及電廠經(jīng)濟性、環(huán)保性等多個目標(biāo)，在分析配煤摻燒方式后，選取褐煤做為摻燒煤種完成配煤優(yōu)化實驗。而入爐煤質(zhì)的監(jiān)測是實現(xiàn)合理配煤的前提，因此利用軟測量技術(shù)得到煤種工業(yè)分析包括收到基灰分Aar、水分Mt和低位發(fā)熱量Qnet.ar，進(jìn)而完成煤質(zhì)的元素分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合煤質(zhì)各收到基元素與鍋爐煙氣成分之間的關(guān)系，建立了超超臨界機組鍋爐煙氣成分分析模型，最終實現(xiàn)鍋爐排煙成分以及煙氣流量的檢測。

1 鍋爐設(shè)備及煤質(zhì)分析

1.1 鍋爐設(shè)備概況

以GHJJ電廠5號660MW超超臨界機組鍋爐為研究對象，其額定工況蒸發(fā)量為1899 t/h，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2060 t/h。制粉系統(tǒng)中配置6臺中速磨煤機，分別布置在爐膛側(cè)面，對應(yīng)各層自下而上分別為A磨、B磨、C磨、D磨、E磨、F磨，其中每層分四角共有24只直流式燃燒器，隨著一次風(fēng)將煤粉以風(fēng)粉混合物方式吹入。最下面兩層(A、B層)設(shè)置有等離子點火設(shè)備，在爐膛中心，通過一次風(fēng)煤噴嘴最終形成四角切圓燃燒方式，其主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of boiler

1.2 煤質(zhì)分析

該電站鍋爐實際燃煤種類較為單一，其設(shè)計和校核煤質(zhì)的工業(yè)和元素分析如表2所示。

表2 煤質(zhì)工業(yè)和元素分析Tab.2 Coal industry and element analysis

由表中數(shù)據(jù)分析可知該電廠所用燃煤特性為：優(yōu)點是特低硫、中高熱值、中等水分，缺點是高灰分、較難磨且有結(jié)渣性，綜合這些特點該煤種屬于煙煤。從揮發(fā)分和熱值看，該煤具有較強的爆炸性傾向，因此可通過摻燒其他煤種進(jìn)行入爐煤質(zhì)的改善。此外，國內(nèi)煤炭價格一直居高不下，使得燃煤成本以及發(fā)電成本逐漸提高，嚴(yán)重影響電廠的經(jīng)濟效益。綜上所述該電廠燃煤需要進(jìn)一步合理摻燒其他劣質(zhì)煤，在滿足鍋爐運行負(fù)荷的同時以降低發(fā)電成本，提高入爐燃煤的靈活性。

2 配煤摻燒方案及仿真實驗分析

一方面隨著我國煤炭資源的大量消耗，燃煤價格居高不下，這使得火力發(fā)電廠成本增加。另一方面，在滿足鍋爐運行安全性的前提下，根據(jù)機組不同負(fù)荷下的磨煤機組合方式，合理分配煤種進(jìn)行摻燒，能夠提高煤種的靈活性。基于此，配煤摻燒技術(shù)通過對不同工況進(jìn)行配比摻燒，在保證機組正常運行的前提下，不僅可以提高電廠的經(jīng)濟效益，而且改善了入爐煤種特性，可服務(wù)于燃燒優(yōu)化[10]。具體的配煤摻燒方案流程圖如圖1所示。

圖1 配煤摻燒方案流程圖Fig.1 Flow chart of coal blending and burning scheme

配煤的前提是要得到入爐各煤質(zhì)具體元素成分，再按一定比例進(jìn)行摻燒，因此首先建立基于軟測量的煤質(zhì)分析模型，利用 Matlab仿真實驗結(jié)果與設(shè)計煤種參數(shù)對比，驗證其精確度。其次，對比電廠常用煤種，選取相互補的摻燒煤種，依據(jù)鍋爐燃燒特性選擇合適的配煤摻燒方式。最后篩選出滿足電廠不同負(fù)荷下的最典型工況進(jìn)行仿真實驗，確定合理的配煤方案及摻燒比例。

2.1 煤質(zhì)分析軟測量

實現(xiàn)入爐煤質(zhì)的準(zhǔn)確測量是配煤摻燒的重要前提[11]，其中收到基灰分、水分以及低位發(fā)熱量是燃煤的主要性能參數(shù)。但目前較準(zhǔn)確的測量方法需要人工取樣再儀器檢測或是借助一些昂貴的硬件設(shè)施。而軟測量技術(shù)是通過建立較易測量的相關(guān)信號與被測變量之間的密切相關(guān)性，最終得到不可測或較難被測變量的一種有效方法[12，13]。利用軟測量技術(shù)結(jié)合該電廠運行的歷史數(shù)據(jù)，按照磨煤機的能量平衡原理，研究了制粉系統(tǒng)中磨煤機電流、磨入口和出口溫度和磨給煤量等相關(guān)參數(shù)之間的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件建立了燃煤收到基灰分Aar和水分Mar等成分的軟測量模型。

其中對于煤的元素成分包括碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)以及灰分(A)和水分(M)，各收到基成分百分比可表示為

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%

(1)

由于受到外界環(huán)境等因素的影響，煤種之間灰分和水分會有較大的差異，而其他成分變化較小[14]。因此先確定該電廠所用煤種Aar和Mar的含量，再依照設(shè)計煤種中其他收到基成分的占比進(jìn)而確定實時入爐燃煤各成分。對于低位發(fā)熱量，依據(jù)與煤質(zhì)各元素的關(guān)系采用門捷列夫公式計算[15]得到

Qnet.ar=339Car+1028Har-

109(Oar-Sar)-25Mar

(2)

式中：Qnet.ar為煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg；Car為收到基碳元素含量，%；Har為收到基氫元素含量，%；Oar為收到基氧元素含量，%；Sar為收到基硫元素含量，%；Mar為收到基水分含量，%。

綜上所述，整體組成入爐煤質(zhì)軟測量模型，模型的輸入數(shù)據(jù)來自該電廠的DCS系統(tǒng)，并從中提取機組某天中穩(wěn)定運行時磨煤機的一段數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到這天1000條采集點參數(shù)。

在鍋爐實際運行中，考慮到四角切圓燃燒方式不允許兩層及以上隔層燃燒，6臺磨煤機對應(yīng)的64種啟停組合中會有23種合法組合方式，如表3所示。其中A、B兩臺磨煤機中必定有一臺磨處在運行狀態(tài)。因此在實際的煤質(zhì)軟測量計算中只需要采集這兩臺磨煤機的運行數(shù)據(jù)，再利用所建立的煤質(zhì)軟測量模型，最終得到煤質(zhì)信息。

表3 6臺磨合法組合方式Tab.3 Six sets of grinding methods

而為了簡化實驗，選擇采集到該電廠在某時刻負(fù)荷660MW運行下B磨煤機的一組數(shù)據(jù)和其它相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實驗，包括B磨給煤量、B磨出口溫度、B磨入口風(fēng)溫、B磨煤機電流和B磨一次風(fēng)量走勢如圖2所示。此外選取B磨的一組數(shù)據(jù)和其它相關(guān)參數(shù)做為模型輸入，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4。最后軟測量模型驗證結(jié)果與電廠實際數(shù)據(jù)對比如表5所示。

表4 軟測量模型輸入?yún)?shù)Tab.4 Input parameters of soft sensor model

圖2 電廠采集數(shù)據(jù)Fig.2 Data collected by power plant

由表5分析可知，該電廠某一時刻B磨的運行數(shù)據(jù)作為入爐煤質(zhì)軟測量模型的輸入，輸出包括Mar、Aar、Qnet.ar等各收到基元素的計算值與電廠實際值誤差均在±4.1%以內(nèi)。所建立的模型可為實際電廠煤質(zhì)的在線監(jiān)測提供一種簡便又可靠的方法，也為配煤摻燒實驗奠定煤質(zhì)測量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表5 實驗結(jié)果對比Tab.5 Comparison of experimental results

2.2 摻煤特性及摻燒方式選擇

配煤摻燒原則為根據(jù)來煤結(jié)構(gòu)的不同特點，在保證機組穩(wěn)燃、環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理摻配，提升電廠經(jīng)濟效益。因此依照該電廠的設(shè)計煤種(煙煤，價格為650元/t)選取其他較低熱值的煤進(jìn)行配煤摻燒實驗。此外為減少運輸成本，在離該電廠較近的煤種中選取3種低熱值褐煤進(jìn)行實驗[16]，其主要的煤質(zhì)特點如表6所示。

表6 摻燒煤種特性Tab.6 Characteristics of blended coal types

在選取摻燒煤種時，最重要的是能與該電廠設(shè)計煤種及常用煤種相互補。該電廠設(shè)計煤種發(fā)熱量高、水分和含硫量低，但揮發(fā)分高，而選取的納源褐煤水分、灰分高，硫分較多，但價格低。因此采用納源褐煤作為最終的摻燒煤種，一方面充分發(fā)揮褐煤在價格上的優(yōu)勢，另一方面利用其與設(shè)計煤種的互補性，增加機組效率，提高發(fā)電收益。

在配煤摻燒方式的選取上，傳統(tǒng)的方式有爐前摻配，爐內(nèi)混燒，但這種摻燒方式只能用于兩兩煤種相近的進(jìn)行摻燒，且存在其他不足之處[17]。因此，出現(xiàn)了新的摻燒方式即分磨制粉,可進(jìn)一步分為：(1)分磨制粉，直吹爐內(nèi)摻燒；(2)分磨制粉，分倉儲存，爐內(nèi)摻燒；(3)分磨制粉，倉內(nèi)摻混，爐內(nèi)混燒。其中第一種摻燒方式適用于直吹式制粉系統(tǒng)，而其他兩種摻燒方式適用于中間儲倉式制粉系統(tǒng)[18]。

根據(jù)實驗對象機組鍋爐相關(guān)設(shè)備的特點，采用分磨制粉的第一種方式進(jìn)行配煤摻燒實驗。

2.3 實驗工況劃分

對應(yīng)不同負(fù)荷下，該電廠鍋爐各燃燒器投入方式如表7所示。

表7 各燃燒器投入方式Tab.7 Input method of each burner

針對660MW機組同樣的研究對象，文獻(xiàn)[19]對6臺磨煤機的23種合法啟停組合方式，通過燃燒優(yōu)化參數(shù)調(diào)整實驗進(jìn)行了詳細(xì)的典型工況選取。因此按照其選取結(jié)果，依照五運一備的原則最終確定配煤摻燒實驗工況包括磨煤機組合方式為ABC、BCDE、ABCDE這三種典型工況，同時也滿足了該電廠從低負(fù)荷到高負(fù)荷不同負(fù)荷段下的運行要求。

2.4 仿真實驗

燃煤熱值與其價格存在一定比例關(guān)系，而目前市場上高熱值煤的價格是低熱值煤的2～3倍。雖然低熱值煤種不利于鍋爐燃燒，且含硫量大影響環(huán)保指標(biāo)，但價格低的優(yōu)勢可有效改善電廠的經(jīng)濟效益。

因此通過配煤摻燒實驗，加入低熱值的煤種。但配煤摻燒比例受到多種因素的影響，包括爐膛燃燒穩(wěn)定工況、煙氣含硫量、煤價成本等。在滿足以上多種目標(biāo)優(yōu)化配煤的前提，對摻燒煤質(zhì)參數(shù)及配煤比例進(jìn)行限制，保證機組高低負(fù)荷都可穩(wěn)定燃燒，防止?fàn)t膛結(jié)渣、排煙溫度過高以及飛灰含碳量和煙氣中SO2、NOx含量超過國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合該電廠校核煤種數(shù)據(jù)以及實際要求，則多目標(biāo)優(yōu)化配煤具體條件如下。

(1) 配煤比例%

進(jìn)行配煤單煤比例不可超過1，

x1+x2+…+xn=1且0

(3)

以兩種煤配煤為例，摻燒后混煤煤質(zhì)各成分按公式(4)所得

(4)

式中：U1為原煤煤質(zhì)各元素成分；U2為摻煤煤質(zhì)各元素成分。

(2) 低位發(fā)熱量

配煤的熱值越低，則制粉電耗加大，會導(dǎo)致鍋爐爐膛內(nèi)燃燒不穩(wěn)定；而熱值越高，隨著高熱值煤的大量消耗，將加大電廠發(fā)電成本。因此，依照該機組實際的運行要求以及設(shè)計煤種和校核煤種的數(shù)據(jù)，對于摻配混煤熱值Qnet.ar應(yīng)滿足如下條件：

20≤x1Qnet.ar1+x2Qnet.ar2+…xnQnet.arn≤25

(5)

(3) 煤質(zhì)收到基成分

煤質(zhì)中揮發(fā)分如果太高會破壞燃燒器噴口，而數(shù)值太低又會引起煤粉著火相對困難，或者會引起爐膛內(nèi)熄火的嚴(yán)重后果，則揮發(fā)分Vdaf約束條件為

20%≤x1Vdaf1+x2Vdaf2+…+xnVdafn≤40%

(6)

此外，如果煤種硫份Sar含量過高，會導(dǎo)致鍋爐內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)渣、腐蝕煙道等嚴(yán)重現(xiàn)象；再者對于水分Mar，其數(shù)值太高影響穩(wěn)定燃燒，且對應(yīng)的煤質(zhì)中低位發(fā)熱量就會有所降低，水分的高低直接影響著鍋爐的燃燒以及入爐煤的質(zhì)量；而灰分Aar含量如果過大，會加劇鍋爐中受熱面的磨損程度，以及堵塞空氣預(yù)熱器等嚴(yán)重后果。因此在滿足以上目標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，約束公式如下：

0≤x1Sar1+x2Sar2+…+xnSarn≤0.9%

(7)

0≤x1Mar1+x2Mar2+…+xnMarn≤18%

(8)

0≤x1Aar1+x2Aar2+…+xnAarn≤18%

(9)

(4) 煤價成本

在滿足以上多目標(biāo)下的配煤煤種，仍要考慮最終入爐燃煤的價格，以尋求最低成本S，Ci為單煤成本價格。

MinS=∑Cixi

(10)

配煤實驗中，為了有效防止?fàn)t膛內(nèi)出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，以下層燃燒器及A磨開始一層一層逐漸往上投入褐煤。針對篩選后的三種典型工況，滿足不同負(fù)荷條件后摻燒一定比例的褐煤則需要進(jìn)行12組實驗，但在滿足以上多目標(biāo)配煤摻燒條件后最終篩選出4組，實驗組合及結(jié)果如表8所示。

表8 實驗工況及摻燒方式Tab.8 Experimental conditions and blending methods

在滿足多目標(biāo)優(yōu)化配煤條件后，表7中針對該機組不同負(fù)荷下的典型工況逐層摻燒褐煤進(jìn)行實驗分析。實驗結(jié)果為：機組在低負(fù)荷330MW運行時，選取摻燒比例為1∶3,A磨摻燒褐煤；機組在450MW運行時，選取摻燒比例為1∶4,A磨摻燒褐煤；機組在660MW運行時，選取摻燒比例為2∶5,A、B磨摻燒褐煤。按照以上比例進(jìn)行摻燒褐煤，為實際的配煤摻燒建立理論依據(jù)，混煤煤質(zhì)則可通過軟測量模型得到。同時為機組摻燒其他煤種包括劣質(zhì)煤提供一種方法，以提高電廠經(jīng)濟效益。

3 煙氣成分分析模型

在完成機組入爐多目標(biāo)優(yōu)化配煤摻燒實驗后，實現(xiàn)了電站鍋爐入爐煤質(zhì)的實時在線監(jiān)測。在分析煤質(zhì)收到基各元素和鍋爐排煙氣體成分特性之間對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了基于配煤摻燒后煤質(zhì)檢測的電站鍋爐排煙成分分析模型，為鍋爐排煙各主要成分檢測提供一種有效方法。

鍋爐爐膛內(nèi)復(fù)雜的燃燒過程中，最終的產(chǎn)物之間存在密切的關(guān)聯(lián)，該煙氣成分分析模型中心思想就是通過燃燒的化學(xué)平衡式反向計算出排煙中各成分的含量[17]。所建立的模型如圖3所示。輸入包括過量空氣系數(shù)α、總給煤量Cf、煤質(zhì)收到基各成分(含碳量Car、含氫量Har、含氧量Oar、含氮量Nar、含硫量Sar、水分Mar)以及未完全燃燒損失qgt，輸出包括理論空氣量V0、實際空氣量V1、煙氣流量Fg以及煙氣中主要的氣體體積(VCO2、VSO2、VN2、VH2O、VO2)。

圖3 煙氣成分分析模型Fig.3 Analytical model of flue gas composition

其中，對于輸入信號過量空氣系數(shù)a，其定義如公式(11)所示。當(dāng)煤粉燃燒較充分時，可利用其與氧量的關(guān)系得到計算公式(12)：

a=V1/V0

(11)

式中：V0為理論空氣量；V1為實際空氣量。

a=21%/(21%-φO2)

(12)

式中：φO2為鍋爐尾部煙道煙氣含氧量，%。

此外煙氣流量約等于其中5種主要氣體成分流量之和，給煤量依據(jù)電廠實際運行時的測量數(shù)據(jù)；而煤質(zhì)收到基各成分則按照所建立的煤質(zhì)軟測量模型得到；未完全燃燒損失qgt計算公式如下[20]，其中煤質(zhì)收到基灰分和低位發(fā)熱量都可通過建立的煤質(zhì)軟測量模型得到。此外該電廠安裝了飛灰含碳量測量儀，而飛灰份額取0.9，爐渣份額取0.1。

(13)

式中：φa為飛灰量在入爐總灰量的占比，%；φd為爐渣量在入爐總灰量的占比，%；Ca為飛灰含碳量，%；Cd為爐渣含碳量，%。

選取多目標(biāo)優(yōu)化配煤摻燒中建立的煤質(zhì)軟測量模型得到的入爐煤質(zhì)綜合數(shù)據(jù)，見表5，將此做為煙氣分析模型的基礎(chǔ)。同時，從該電廠DCS中提取機組在660MW穩(wěn)定運行時同一時刻的總給煤量、過量空氣系數(shù)、飛灰含碳量以及爐渣含碳量，這些相關(guān)的實測數(shù)據(jù)做為整個模型的輸入，最終計算得到各輸出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)煙氣流量以及各煙氣成分的軟測量，其中相關(guān)的煙氣成分分析模型部分輸入和輸出結(jié)果如表9所示。

表9 模型輸入輸出Tab.9 Model input and output

為了進(jìn)一步驗證該分析模型的有效性，依照模型整體思路，選取機組在660MW平穩(wěn)運行的50組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，包括煤質(zhì)軟測量的輸入數(shù)據(jù)。通過煤質(zhì)軟測量模型得到入爐煤質(zhì)的實時數(shù)據(jù)后，最終選取模型輸出數(shù)據(jù)中煙氣各成分較為重要的SO2含量，及模型測量值與電廠實際測量值進(jìn)行對比分析，如圖4所示。

圖4 SO2模型分析值與實測值Fig.4 Analyzed and measured values of SO2 model

圖4是煙氣中SO2含量計算值和電廠實際值的對比曲線，可以看出經(jīng)過該分析模型測量的煙氣SO2含量信息不僅具有較高的精度，而且在動態(tài)變化趨勢上與實際的變化情況相吻合，誤差在±5%以內(nèi)。所建立的煙氣成分分析模型能夠提供有價值的煙氣成分參考值,也為難以測量的煙氣流量提供一種軟測量方法，且可以進(jìn)一步得到鍋爐排煙熱量及排煙損失，為燃燒優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié) 論

基于磨煤機能量平衡原理，建立了煤質(zhì)軟測量模型后進(jìn)行配煤摻燒。在確保鍋爐運行安全的前提下，多目標(biāo)優(yōu)化合理配置褐煤。不僅降低了燃煤的成本，提高了燃料的綜合效益以及煤種靈活性，而且還實現(xiàn)了電廠節(jié)能降耗，使其收益最大化。

在此基礎(chǔ)上，分析了鍋爐排煙各氣體成分與煤質(zhì)收到基元素之間的對應(yīng)關(guān)系，最終建立了鍋爐煙氣成分分析模型。該模型能夠提供有價值的排煙成分參考值，有效指導(dǎo)火電機組低碳排放，同時為鍋爐燃燒優(yōu)化提供依據(jù)。